呼和浩特基准地震台S波分裂研究

张 晖 高立新 韩晓明 赵铁锁 王 鑫 贾彦杰（中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局）



呼和浩特基准地震台S波分裂研究

张 晖 高立新 韩晓明 赵铁锁 王 鑫 贾彦杰
（中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局）

摘要选取呼和浩特基准地震台2008—2015年产出的全球MS6.0以上远震地震事件资料，使用Splitlab软件，对远震震相（SKS、SKKS、SS）综合分析，运用旋转相关法和最小能量法，进行S波分裂研究。在计算过程中，使用图形特征和结果对比的方法，对计算结果的质量进行判定，最终得到快波偏振方向主要集中在-12°—6°，延迟时间主要集中在0.9 s左右，与其他文献研究结果吻合。通过本次单台S波分裂研究，为今后更大范围的S波分裂研究提供了有效方法，也为今后单台测震学科研究工作提出新的思路。

关键词SKS震相；Splitlab软件；S波分裂研究；快波偏振方向；延迟时间

0 引言

S波分裂又称为S波双折射，是指横向偏振的S波在通过某种形式的有效弹性各向异性固体传播时，分裂成两个近似垂直偏振的震相，这两个分裂的震相具有不同的传播速度和不同的振动方向（张少泉，1992）。理论研究表明：在偏振图上，质点运动轨迹呈现椭圆状。适当旋转三分量地震图可以将分裂的快慢横波分离出来（Crampin S，1978；Crampin S，1981）。研究表明：在简单剪切作用下，橄榄石晶体的优势取向（LPO）只取决于地幔的有限应变，与产生应变的变形过程无关，且LPO平行于应变椭圆的主拉张轴，通常代表当前的地幔变形和流动方向（Ribe N M，1989，1992）。因此，研究地震各向异性可以对地幔变形和流动提供约束。

呼和浩特属于一级构造单元华北陆地块，位于大青山—冀北古弧盆系中大青山—凉城陆缘盆地（潘桂堂等，2009），周边毗邻大青山山前断裂、岱海北缘断裂、和林格尔断裂等活动断裂。通过分析呼和浩特地下介质的各向异性，对该地区地下介质的性质、应力场变化及地震活动特征有积极的意义。呼和浩特基准地震台（台站代码HHC）建立于20世纪70年代，台站测震观测先后经历“九五”“十五”改造，积累了多年数字地震观测资料，自2007年起连续6年获得“全国测震资料评比”前3名的优异成绩，为本次研究提供了高质量的数据基础。

1 数据与方法

选取呼和浩特基准地震台2008—2014年产出的MS6.0以上、震中距大于80°的地震事件，对SKS、SKKS、SS震相进行S波分裂研究。为了取得更好的计算结果，对资料进行进一步筛选，发现震中距90.3°—143.3°范围内的地震事件可以得到清晰的SKS、SKKS、SS震相，由此选取该震中距范围内的地震事件进行分析。

在计算S波分裂时，主要使用Splitlab软件（Wustefeld A et al，2008），该软件同时使用旋转相关法（以下简称RC法）（Bowman J R et al，1987）和最小能量法（以下简称SC法）（Silver P G et al，1991）进行S波分裂计算。两种方法对单个远震记录的SKS震相开展偏振分析，求取各向异性参数对（φ,Δt），其中φ表示快波偏振方向，Δt表示快、慢波的到时差。而同时使用两种方法计算S波分裂，可以有效判定结果中弱各向异性或无效事件（Null）（Wustefeld A et al，2007）。所谓的无效事件是指不产生分裂的地震记录，无效事件的出现可能与台站下方的各向同性介质相关，也可能由该事件的方位分布平行或垂直于快波偏振方向所致。

根据Barruol等（1987）和Wustefeld等（2007）关于分裂测量的判别方法，根据原始地震记录中震相的信噪比、快慢波校正前后的波形、质点运动轨迹及不同测量方法（RC法和SC法）得到的S波分裂参数等，将分裂结果分为高质量有效分裂结果（good Non-Null）、一般（fair Non-Null）、不可靠（poor）、高质量的无效分裂结果（good Null）和质量一般的无效分裂结果（fair Null）5类。从图形特征和不同方法（RC法和SC法）所得测量结果两个方面，对所得S波分裂结果进行判定，以寻找高质量的有效分裂结果（good Non-Null）。

1.1 图形特征判定S波分裂结果质量

可通过以下图形特征判定S波分裂结果质量：①初始信号质量高，包含水平向信噪比（SNRT）＞3及S波可能干扰的排除；②在各向异性水平层中，质点运动呈椭圆形态；③去除各向异性的水平层中，质点运动呈线性形态；④快慢波波形的一致性程度。

满足以上4个条件的为高质量的有效分裂结果（good Non-Null），满足以上3个条件为高质量的一般分裂结果（fair Non-Null）；满足以上2个条件为不可靠的分裂结果（poor）。

1.2 RC法和SC法分裂结果综合判定结果质量

利用以下两点判定高质量的分裂结果（Non-Null）：①两种不同算法延时时间比率ρ；②两种不同算法快波偏振方向差的绝对值Δφ。

本次研究选取满足以上两点，且0.8＜ρ＜1.1、 |Δφ| ＜8°的为高质量有效分裂结果（good Non-Null）；0.7＜ρ＜1.2、 |Δφ| ＜15°为一般分裂结果（fair Non-Null）。为提高远震记录中震相信噪比，在计算各向异性参数前对数据进行带通滤波处理。多数情况下，选择0.02—0.2 Hz滤波器，少数情况下（仅2008年地震资料），采用0.01—0.1 Hz滤波器。

在使用SKKS和SS震相计算过程中并未得到高质量有效分裂结果，仅在使用SKS震相时才可以得到高质量的有效分裂结果，而利用SKS研究地震波各向异性有其独特的优势（吕庆田等，1996）：①根据切向分量是否为零容易判别速度各向异性的存在与否。因为在核幔边界上由P波转换为S波时，SKS波径向偏振，若SKS穿过各向同性介质，则切向分量为零；反之若穿过各向异性介质则切向分量不为零；②近垂直人射的SKS波直接反映台站下方的速度各向异性，提供很高的横向分辨率；③计算结果可靠，几乎没有多解性。因此本次研究重点使用SKS震相计算所得的S波分裂结果。目前，一般认为S波分裂测量方法中，利用最小能量法(SC法)测量得到的结果相对更加可靠和稳定（Vecsey L et al，2008；Gao S S et al，2009），因此虽然综合使用了RC法和SC法，但对于有效分裂结果的讨论和分析，我们将利用最小能量法（SC法）测量得到的结果。

2 剪切波分裂结果

选取呼和浩特基准地震台2008—2014年震中距90.3°—143.3°的118个远震地震事件，使用SKS震相进行S波分裂研究。根据上述分析判定方法，得到18个高质量有效分裂结果（good Non-Null），见表1。由表1可见：①呼和浩特地震台快波偏振方向主要集中在-12°—6°范围内，即NW方向，快波偏振方向直方图见图1；②延迟时间主要集中在0.9 s左右，见图2，与常利军等（2011，2012）取得的研究结果基本一致。

进一步分析发现，呼和浩特地震台台址下方介质的各向异性参数，尤其是快波偏振方向并非随机分布，而主要集中于两个范围内的反方位角区域，即26°—37°和114°—126°的反方位角范围中，可能与参与计算的地震事件方位分布（图3）有关，同时反映台站下方介质复杂的各向异性结构。

图1　快波偏振方向Fig.1 Fast polarization direction histogram

图2　延迟时间Fig.2 Delay time histograms

表1　呼和浩特地震台S波分裂高质量结果Table 1 S wave splitting quality results of Hohhot Seismic Station

图3　高质量有效SKS分裂结果地震分布Fig.3 Earthquake distribution of high-quality SKS splitting results

由于此次研究主要使用SKS震相，各向异性信息主要针对上地幔以上介质。上地幔各向异性是由形变导致地幔橄榄岩中的晶格优势排列引起的， 因此横波分裂测量结果直接反映了上地幔变形和地幔流动场的特征（Long M D et al，2008）。一些学者认为，各向异性主要是现今地幔流引起的（Silver P G et al，1996；Vinnik L P et al，1992）。在构造稳定区，各向异性被认为是该区最后一次大规模构造运动遗留在岩石圈中的“化石”各向异性；在构造活动区，各向异性反映了正在进行的构造运动（Silver P G et al，1991）。在现代板块聚合带附近区域，各向异性主轴平行于板块边界；在裂谷区，各向异性主轴平行于地壳裂谷的拉伸方向；在造山带，各向异性主轴与山脉走向平行，在大型走滑断裂带附近，与断裂带的走向平行（Vinnik L P et al，1992）。 此外，绝对板块运动方向（APM）与各向异性快波方向一致，说明岩石圈下的地幔流对各向异性具有重要作用（Vinnik L P et al，1992）。

本研究的快波偏振方向与常利军等（2011，2012）研究结果基本一致，见图4。分析本研究快波偏振方向的结果发现，所得方向既不平行于APM方向，也不平行于NE或NNE趋向的区域地表构造走向。本次研究应该反映了“化石”各向异性，即主要存在于大陆构造稳定的单元，保留了地幔变形历史信息。

由于本研究仅使用一个台站记录，不能有效得出呼和浩特及周边地区各向异性层厚度，需要做S波分裂研究，利用所得结果才可以得出较大范围的各向异性层厚度（郑秀芬等，2006）。

图4　呼和浩特地震台SKS分裂研究结果Fig.4 Results of Hohhot seismological SKS splitting

3 结论

通过对呼和浩特地震台记录进行S波分裂研究，尤其在使用SKS震相进行分裂研究时，对资料选取有一个清晰认识，今后将重点选取震中距90°—140°的MS6.0地震进行SKS分裂研究。同时，通过本研究也能熟练使用Splitlab软件，综合运用旋转相关法和最小能量法，通过波形特征的定性限定及两种方法所取得结果的定量限定，从而取得高质量的有效SKS分裂结果，为今后更大范围和区域内使用更多台站数据进行S波分裂研究起到很铺垫作用。

本次研究结果发现，呼和浩特地区SKS分裂主要反映上地幔各向异性，其中快波偏振方向主要集中在-12°—6°范围内，即NW方向，而取得快波偏振方向所使用的地震事件并非随机分布，主要集中分布在26°—37°和114°—126°的反方位角范围中，可能与参与计算的地震事件方位分布有关，同时反映台站下方介质复杂的各向异性结构；延迟时间主要集中在0.9 s左右。所得研究结果与前人研究结果基本一致，即快波方向既不与绝对板块运动方向一致，也不与构造走向一致，反映的各向异性可能是遗留在古老克拉通的厚的岩石圈内“化石”各向异性的表现。而由于本次仅仅使用一个台站记录的数据，所以所取得的延时时间不能准确反映呼和浩特地区各向异性层的厚度，需要在今后工作中加入更多台站数据进行研究。

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S wave splitting study at Hohhot Seismic Station

Zhang Hui，Gao Lixin，Han Xiaoming，Zhao Tiesuo，Wang Xin and Jia Yanjie
(Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010010， China)

Abstract

In this paper， using rotational correlation and minimum energy methods provided in Splitlab software package， a comprehensive S wave splitting study of teleseismic phase (SKS， SKKS，SS) data selected from global MS6.0 event waveform record by Hohhot Reference Seismic Station during 2008—2015. In the calculation process， the quality of calculating results is evaluated by use of graphical features and comparison method. The fi nally results show that the fast polarization directions are mainly concentrated in -12°—6°， and delay times， mainly in about 0.9 s， which is agree with those of other literature studies. Through this S wave splitting research of single station， a wider range of effective methods for the S wave splitting is presented for the future study， also put forward new ideas for the future single seismic disciplinary research work.

Key words：SKS phases，Splitlab software，S wave splitting study，fast polarization direction，delay time

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 007

基金项目：中国地震局三结合项目（编号：150503）及中国地震局科技星火计划青年项目（编号：XH15009Y）资助

作者简介：张晖（1982—），男，硕士研究生，工程师，主要负责地震监测预报工作。E-mail：zhandyg@163.com

本文收到日期：2015-08-16